復雜鋼桁拱橋全參數化建模方法

鄧 捷，石峻峰，王 波，趙訓剛

(1 湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068；2 中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北 武漢 430034)

我國基礎設施建設水平不斷提高，在橋梁工程結構形式復雜程度與施工難度普遍增加的挑戰下，建筑信息模型(BIM)的信息化優勢已為橋梁工程帶來設計和施工水平的提高。近年來BIM參數化建模技術不斷推動橋梁信息化模型的開拓與創新，但現如今在復雜鋼桁拱橋建模應用中依然存在“參數化容易，全參數化難”的實際問題。

在已有相關文獻中，孫建誠等[1]、趙偉蘭等[2]通過Autodesk公司產品Revit軟件，使用橋梁三維參數化方法，解決了多跨混凝土橋與互通立交橋建模問題；郝蕊等[3]通過CityEngine軟件與CGA規則結合，依據參數化驅動模型方法，完成鐵路橋梁三維模型的構建；王茹等[4]運用Dynamo插件對公路立交復雜橋體進行建模研究，提高建模效率。

以上文獻中建模方法局限于參數化建模，模型精度停留在LOD100-300階段，在此階段模型僅能進行三維展示與方案設計方面的應用，而構件精細尺寸的技術需求與施工方案推演的應用需求均難以完成，此類參數化建模手段完成的模型仍需后期大量人工合模，作為達到竣工交付和運營維護的模型要求相差甚遠。因此，這里提出全參數化概念，利用“B-Rep”建模方法以及“R+GH+TS”協同設計平臺對復雜鋼桁拱橋建立LOD500全參數化信息模型，解決復雜構件建模難、模型協同實際應用難、后期修改模型難等問題，提升設計效率，降低施工成本，實現模型從設計到施工全方位應用。

1 模型全參數化方法

現有參數化方法形成的模型存在LOD等級低、復雜構件建模難、模型協同應用難等實際問題，這里提出BIM模型全參數化概念，以數據層、邏輯層、模型層三個層面，通過邊界表示法構建板形，結合協同設計平臺全方位建立三維模型，并達到LOD500模型交付程度，實現4D模擬、輸出構件清單表、查詢構件吊裝重心等實際應用。

1.1 全參數化概述

全參數化(Fully Parametric)是參數化(Parametric)概念的延申，自20世紀60年代起參數化建模概念被應用到數字化行業的各種領域[5]，至今參數化概念中邏輯與關聯的特性使得形體與數據之間產生聯系，并由數據驅動模型[6]；傳統參數化方法常用來解決某異形構件特殊形體的建模問題，普遍使用構件結構參數而非利用空間幾何數學關系建立模型，孤立模型信息中各構件之間的關聯性，且在BIM技術領域，傳統參數化難以滿足其信息量大、數據關聯性強的模型要求。在復雜鋼桁拱橋中，傳統參數化需逐步完成鋼桁拱結構中各單一節點建模，并參考工序依次完成節點的拼接與合模，工作效率低且后期修改難度大；而全參數化基于圖紙整體數據，分析模型中空間邏輯關系以及控制點定位關系，分類建立數學模型以適應各零件之間的數學聯系與映射，提高模型數據性與關聯性，通過其數據接口的連接提高了模型的協同性，實現高精度高效率數字化建模(表1)。

表1 傳統參數化與全參數化對比

1.2 “B-Rep”法編譯模型

在解決全參數化模型問題的過程中，軟件開發者基于Rhino-GH插件，普遍使用“構造幾何實體法”(Constructive Solid Geometry ，CSG)和“邊界表示法”(Boundary Representation ，BR)構建模型[7]。其中全參數化建模基于數據層提取各構件參數信息，選擇以“B-Rep”法完成構件的表面邏輯，通過定義空間邊界面依次連接空間點，從2D線模型至3D體模型逐步實現實體對象的制作。

復雜鋼桁拱橋節點板構造形式復雜，且構件形體間具有一定數學邏輯。以數據層為基礎，完成圖紙數據提取、EXCEL構件類型數據分類；以邏輯層為建模核心，逐步完成基礎橋墩橋臺、主桁結構、橋面結構全參數化邏輯、空間定位點與結構線等建模準備工作；以模型層為應用重點，通過模型空間邏輯與拓補關系形成全參數化模型。結合全參數化建模思路，在數據層分析數據可執行性，提出分類數據方法；在邏輯層通過“B-Rep法”完成數據到模型的轉換，以關鍵點與關鍵線段形成模型構件邊界，初步形成2D構件平面邏輯；并基于整體模型結構，通過放樣、拉伸組合等模型拼裝工作，在模型層結合2D平面邏輯與模型拓補關系，初步形成3D參數化模型(圖1)。形成的全參數化模型滿足模型構件邏輯合理性，提升建模效率；基于真實的工程項目，通過“B-Rep法”形成的全參數化模型更具有合法性，且BIM信息技術的現代化和隱含模型信息的廣度決定了在復雜鋼桁拱橋全參數化建模解決方案中的必要性與可行性。

圖1 全參數化模型流程

1.3 “R+GH+TS”協同設計平臺

為提高BIM模型精度、提升建模效率、充分發揮模型應用價值，基于全參數化理念與建模方法，結合相關專業軟件，提出“R+GH+TS”協同設計平臺。此模型平臺的設計集成了建筑學專業領域強大的形體設計軟件Rhino、數據化設計方向的可視化編程語言Grasshopper(簡稱GH)、鋼結構領域專業模型軟件Tekla Structure(簡稱TS)，即以TS為模型核心、“R+GH”為建模手段的全參數化協同設計平臺。

在全球范圍內，Trimble公司旗下TS軟件在鋼結構領域的專業程度遠遠領先其他建模軟件，對于以鋼結構為主的BIM模型，TS以清單化模型管理、全方位標準型鋼構件庫、開放的文件接口等優勢，為鋼結構項目提供快速、標準、多樣的建模方式以及批量化、可視化的模型管理方式。在異形構件、空間結構復雜的鋼桁拱結構橋體中，將EXCEL數據處理為GH數據列表與空間點坐標數據，形成以GH為基礎的邏輯結構和以Rhino為基礎的空間骨架，完成構件定位工作；結合TS軟件與GH的數據互通原則，將構件型材的信息生成CLB數據文件并導入TS軟件，形成全參數化模型；并基于其模型精度高、數據關聯性強等特點，完成LOD500模型交付，將4D模擬、構件清單表、構件吊裝重心應用于實際項目，實現平臺的應用功能。此協同設計平臺充分利用TS軟件優勢進行鋼結構模型深化應用，并基于GH插件二次開發再次打通與TS軟件無格式轉化連接的技術瓶頸，保證模型從數據層到應用層的連續性，真正實現全參數化、全過程協同設計。協同設計平臺如圖2所示。

圖2 協同設計平臺

2 復雜鋼桁拱橋全參數化建模應用

2.1 項目概況

1)工程概況 此項目為武漢市城市規劃第七座跨漢江通道江漢七橋工程，全長約2.754 km，主橋鋼梁采用132 m+408 m+132 m三跨連續系桿拱橋，鋼梁全長674 m，主橋標準桁寬34 m，標準橋面寬度47 m，兩側邊跨為變高度桁梁，中跨為鋼桁系桿拱。主桁立面布置圖如圖3所示。

圖3 主桁立面布置圖

2)工程特點 該項目主跨408 m，屬于國內同類型橋梁第二，單根拱肋桁架桿件吊重100 t，單個鋼橋面板階段吊重250 t，屬于國內同類橋梁結構桿件最大吊重，拱肋上弦部分線形采用二次拋物線，并與邊跨上弦之間采用圓曲線進行過渡。基于該橋梁項目跨度大、單個構件吊重大、鋼結構節點連接形式具有數學邏輯性、施工工序繁多、多專業協調困難等特點，因此該工程利用全參數化BIM技術進行建模以及模型深化應用，從設計到施工全參數化把控鋼結構出場、構件吊裝以及相關工程數量核對工作。

2.2 全參數化建模

在復雜鋼桁拱橋全參數化建模過程中，以鋼桁拱橋結構特性將其分為鋼桁拱與橋面板兩部分建模，提取拱圈某節點與橋面板某特殊跨段，借助全參數化建模方法完成構件表面局部邏輯，由模型協作平臺完成全橋建模。

2.2.1 鋼桁拱結構形體全參數化本項目鋼桁拱結構中，拱圈上下弦桿為焊接箱型截面，主桁節點與上下弦主桁桿件構成整體結構，聯結系拱肋上弦設置縱向通長的菱形桁式平縱聯，各節點構造形式一致，借助全參數化工具完成此類局部映射整體的模型思路。

利用“B-Rep”法，通過分析典型下弦桿件立面圖并建立如下數學關系(圖4)：桿件中心點為原點O，下弦桿五肢對應方向逆時針定義為長度參數Ln(l1、l2、l3、l4、l5)與關鍵點標號A、B、C、D、E，由各關鍵點與原點O連線的法向量方向分別定義模型邊界點標號A'、A”、B’、B”、C’、C”…，其長度參數為H(ha、hb、hc、,hd、he)，節點突出部分板截面斜率為a=1/4，b=1/2，且兩肢之間連接線相切得到的原切角半徑為參數R=r，此處r=600(不同節點部分下弦桿件半徑不同，故定義為參數R)。通過完整的閉合邏輯提取所有的控制點形成結構線，結合空間坐標形成三維形體。邊界表示法中所有數據均以參數表示，n表示節點分支數與關鍵點個數，依照相同計算方式，亦能形成n肢節點的三維實體。

圖4 下弦桿立面

通過以上方式，生成聯結系、肋板等所有同類型構件，且通過協同設計平臺打開數據對接端口，給出數據即可生成全參數化鋼桁拱結構部分模型。數據驅動主桁模型如圖5所示。

圖5 數據驅動主桁模型

2.2.2 橋面板結構形體全參數化對于本橋橋面結構采用正交異性鋼橋面板，頂面由道路中心線向外側設置2%橫坡，底部采用縱向通長的U型閉口肋及I型肋加勁，結合橋面系面板構造形式相同、參數不一的特點，此處以全參數化方式生成橋面橫隔板Q1至Q5共五跨橋面板結構。

Q1橋面板結構部分由節點衡梁、U型加勁肋、I型加勁肋、橫梁、底板等構成，節點橫梁部分結合數學關系以及邊界表示法完成全參數化面板建立，U型、I型加勁肋沿基線長拉伸形成精準長度的標準構件，U槽截面中心點O(x，y，z)依次放置標準構件至面板部分Un(u1、u2、u3…), 和主桁部分In(i1、i2、i3…) 。平面布置圖如圖6所示，節點橫梁依據橫梁頂點坐標Pn(x1，y1，z1)依次沿關鍵點坐標拼接并基于主桁中心線生成多個面板依次鋪設Q1、Q2、Q3等。數據驅動橋面模型如圖7所示。

圖6 平面布置圖

圖7 數據驅動橋面模型

2.2.3 全參數化平臺模型“R+GH+TS”全參數化平臺是江漢七橋BIM模型的核心，實現模型的全參數化互通。本項目鋼結構形式復雜、種類繁多，單靠參數化建模對模型進行后期修改與合模任務量大，此平臺聯通三個建模功能強大的軟件，解決了特殊節點建模難的問題；通過“GH for Tekla”插件完美對接Tekla數據接口，基于鋼桁拱結構與橋面板結構參數化建模，以“R+GH”為數據層和邏輯層核心生成CLB數據文件、Tekla為模型層核心提取CLB數據，將多個分離的模型通過空間結構線聯結形成完整全參數化模型，且模型互通過程中無數據丟失；其中CLB數據中包含鋼桁拱結構和橋面結構等所有構件定位點信息以及構件尺寸參數信息，突破了模型后期設計變更以及修改模型任務量大的技術瓶頸。此平臺的應用將江漢七橋建模項目從60 d周期縮短為14 d周期，建模人員從三位專業BIM技術員減少為一位，并極大提高模型應用效率，真正實現全參數化模型應用。“R+GH+TS”協同設計平臺工作面板如圖8所示。

圖8 “R+GH+TS”協同設計平臺工作面板

2.3 應用效果

全參數化模型主要利用了數據化的方式將復雜結構模型與空間幾何關系進行整合，通過“B-Rep”法則編譯模型，提高模型數據準確性與關聯性，且“R+GH+TS協同設計平臺”參數可提取、可修改等特性為模型帶來更有價值的利用空間。其應用主要體現在以下方面。

1)4D模擬應用。基于此協同設計平臺模型數據化，其導出模型格式眾多的特點，將模型整體導出為Navisworks軟件可接收的FBX文件，保留源模型數據結構，結合項目施工進度計劃添加構件日期[8-9]，并輸出視頻格式文件進行可視化施工管理。

2)構件清單表。通過全參數化協作平臺建立的模型，基于Tekla管理器模塊有效地導出用戶所需模型信息。管理器包含類別中包含屬性類別、材質、位置信息、以及構件基本參數屬性，本項目根據施工進度要求依次導出橋面板節點橫梁、橋面加勁肋、主桁橫隔板、主桁螺栓等構件參數信息(表2)，施工方依據表格數據與模型結合進行復核，復核無誤后傳至鋼構加工廠進行構件加工與預拼裝，提高施工方信息準確性，并促進鋼構出廠效率的提升。

表2 主桁螺栓信息參數表

3)構件吊裝重心。基于本項目單個構件吊重大，運送吊裝構件交通情況復雜的實際情況，構件抵達現場后大型器械姿態轉體調整十分困難，所以構件出廠前需提前確定吊裝點以及裝車姿態，以保證其結構運輸拼裝等階段一次完成。全參數化模型通過模型數據提取，精準的確定桿件重心位置，并自動生成相關尺寸標注，為設置構件合理吊點提供數據支持，極大提高鋼構出廠吊裝效率、減少施工周期以及現場施工器械租賃成本。構件重心尺寸見圖9。

圖9 構件重心尺寸圖 mm

3 結束語

橋梁工程建設周期長、施工難度大，鋼桁拱橋結構形式復雜，構件種類繁多，對此類橋梁工程進行BIM全參數化建模的過程中，技術管理人員在設計、施工階段通過模型與實際情況的融合進一步優化設計施工方案尤為重要。鑒于此，對比全參數化與傳統參數化的不同，并提出基于全參數化的“B-Rep”法建模手段以及“R+GH+TS”協同設計平臺，克服傳統參數化模型局限性、單一性、精確性的問題，提高模型數據準確性，加強模型數據關聯程度以及建模協同性，解決了復雜鋼桁拱橋特殊節點、特殊構件建模難題，實現了模型指導施工的現場拼裝應用方法，方便技術交底、減少施工周期、節約建設成本，真正體現了BIM模型在復雜鋼桁拱橋中全階段、全參數化的協同與應用。